Accéléromètre

Un accéléromètre est un capteur qui mesure l’accélération subie par un objet selon un ou plusieurs axes, en détectant la force exercée sur une petite masse d’épreuve interne. Dans un smartphone, il sert à la rotation automatique de l’écran et à la détection des mouvements. En sciences, l’accéléromètre du téléphone permet d’étudier quantitativement les chutes, les oscillations, les vibrations et les rotations, en mètres par seconde carrée (m/s²).

Observer expérimentalement l’accéléromètre

FizziQ affiche les composantes de l’accélération suivant les trois axes du smartphone, sans la contribution de la pesanteur (accélération linéaire) ou avec elle, ainsi que l’accélération absolue, qui vaut environ 9,81 m/s² au repos et s’annule en chute libre.

Étapes :

• Ouvrir FizziQ et sélectionner le capteur d’accélération. Observer les trois composantes (x, y, z) et la norme de l’accélération. Identifier quelle composante change quand on incline le smartphone dans chaque direction.
• Poser le smartphone à plat, puis sur la tranche, puis sur le dos. Noter les valeurs des trois composantes à chaque position et vérifier que la norme reste toujours proche de 9,81 m/s².
• Secouer doucement le smartphone et observer les pics d’accélération. Puis le secouer plus fort et comparer les amplitudes. Estimer l’accélération maximale mesurable avant saturation du capteur.
• Réaliser un mini-pendule en attachant le smartphone à une ficelle et en le laissant osciller. Observer les variations périodiques de l’accélération et en déduire la période d’oscillation.

Activités scientifiques sur ce thème

L’accéléromètre est un instrument de mesure très précis et dont la compréhension est quasi-immédiate pour les élèves. On fera bien attention à distinguer l’accélération linéaire (due au seul mouvement de l’appareil, sans la pesanteur) et l’accélération absolue (qui inclut l’accélération de la pesanteur).

Nous avons réuni ci-dessous différentes activités qui permettent d’aborder des principes physiques en lien avec l’utilisation de l’accéléromètre d’un smartphone.

• Vitesse de décollage d’un avion
• Dépendance de g avec l’altitude
• Accélération linéaire et absolue
• Mouvement Rectiligne Uniforme
• Podomètre et calcul le nombre de pas

En savoir plus

Les accéléromètres sont couramment utilisés dans les appareils électroniques portables, tels que les téléphones cellulaires et les ordinateurs portables, pour détecter la position de l’appareil et changer l’orientation de l’écran en conséquence. Ils sont également utilisés dans les dispositifs de navigation, les jouets et les drones pour détecter les mouvements et les changements de direction.

Les premiers accéléromètres mécaniques datent de la fin du 19ème et du début du 20ème siècle. Ils étaient utilisés pour mesurer l’accélération et la vibration dans les applications industrielles et militaires, et reposaient sur un ressort associé à une masse en mouvement : sous l’effet de l’accélération, la masse se déplace et l’allongement du ressort permet de remonter à la valeur de l’accélération.

Au cours des années 1960 et 1970, les accéléromètres électromécaniques ont commencé à être utilisés, qui utilisaient des capteurs électriques pour mesurer l’accélération au lieu de mécanismes mécaniques. Ces accéléromètres électromécaniques ont été utilisés dans les systèmes de guidage de missiles et de véhicules spatiaux, ainsi que dans les instruments de mesure de l’accélération en génie civil et en mécanique des sols.

Aujourd’hui, la plupart des accéléromètres sont des capteurs électroniques miniaturisés, qui utilisent des technologies de micro-machines pour mesurer l’accélération. Les accéléromètres MEMS intégrés aux smartphones se sont généralisés à partir des années 2000, ce qui a rendu ces mesures accessibles au grand public. Ces capteurs sont largement utilisés dans les appareils électroniques portables, les dispositifs de navigation et les capteurs de mouvement industriels.

L’accélération, que l’accéléromètre mesure, décrit la variation de vitesse d’un objet. Elle peut être calculée soit à partir de la vitesse de l’objet, soit en utilisant la deuxième loi de Newton qui relie la force exercée sur un objet à son accélération. Les accéléromètres modernes utilisent cette dernière méthode, souvent par l’intermédiaire de dispositifs mécaniques comme les ressorts et les condensateurs pour mesurer indirectement la force et donc l’accélération.

Dans le processus de mesure de l’accélération par un accéléromètre, un système ingénieux utilisant à la fois un ressort et un condensateur est mis en œuvre. Lorsque le smartphone se déplace, une petite masse attachée au ressort reste initialement en place par inertie, entraînant un changement dans la longueur du ressort, noté x. Cette modification de la longueur génère une force de rappel proportionnelle à l’allongement du ressort (F = kx, où k est la raideur du ressort et x le déplacement). Selon la deuxième loi de Newton, cette force entraîne une accélération de la masse (F = ma, où a est l’accélération et m la masse), permettant ainsi de calculer l’accélération (a = kx/m). Pour mesurer le déplacement x, les accéléromètres exploitent les propriétés des condensateurs, dont la capacité de stockage est inversement proportionnelle à la distance entre les plaques. En connectant une plaque du condensateur au mobile et l’autre à la masse reliée au ressort, on peut estimer cette distance en calculant la capacité du condensateur, ce qui permet de déduire l’accélération. Cette méthode, combinant ressort et condensateur, est couramment utilisée dans la technologie des accéléromètres pour fournir des mesures précises de l’accélération.

La technologie MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) a permis de miniaturiser ces capteurs pour les intégrer dans les smartphones. Ces dispositifs mesurent non seulement l’accélération due à la gravité (accélération absolue) mais permettent également, après correction, de déterminer l’accélération linéaire, c’est-à-dire l’accélération sans l’effet de la gravité. La précision et la calibration sont essentielles pour assurer la fiabilité des mesures, bien que pour de nombreuses applications courantes, une précision extrême ne soit pas nécessaire. La cadence de mesure dépend de l’appareil : la plupart des smartphones fournissent de quelques dizaines à quelques centaines de valeurs par seconde, avec un bruit au repos de l’ordre de quelques centièmes de m/s². Ces caractéristiques suffisent largement pour étudier une chute, un pendule ou des vibrations en classe.

Formule

Le principe de fonctionnement repose sur la deuxième loi de Newton appliquée à la masse d’épreuve :

F = m × a

Signification : F : force exercée sur la masse d’épreuve (N) m : masse de l’élément sensible (kg) a : accélération mesurée (m/s²)

Le déplacement x de la masse d’épreuve est proportionnel à l’accélération : x = (m × a) / k k : raideur du ressort de rappel (N/m)

Exemples d’application

• La rotation automatique de l’écran du smartphone quand on le tourne, détectée par l’accéléromètre

• Le compteur de pas d’un bracelet connecté qui détecte les secousses de la marche

• Le déclenchement de l’airbag d’une voiture lors d’un choc violent détecté par un accéléromètre

• La stabilisation optique d’un appareil photo qui compense les tremblements de la main

• Le contrôle d’un personnage de jeu vidéo en inclinant la manette ou le smartphone

FAQ

Q : Comment fonctionne l’accéléromètre d’un smartphone ? R : Il contient une micro-masse suspendue par des ressorts en silicium. Quand le smartphone accélère, la masse se déplace et modifie la capacité électrique entre des électrodes. Cette variation est convertie en valeur numérique.

Q : L’accéléromètre mesure-t-il la vitesse ? R : Non, il mesure l’accélération, c’est-à-dire la variation de vitesse par unité de temps. On peut en déduire la vitesse par intégration, mais les erreurs s’accumulent rapidement.

Q : Pourquoi l’accéléromètre affiche-t-il 9,81 m/s² quand le smartphone est immobile ? R : Parce qu’il mesure la force de réaction de la surface sur laquelle il repose. Cette force, qui s’oppose au poids, est interprétée comme une accélération de valeur g vers le haut.

Q : Quelle est la plage de mesure d’un accéléromètre de smartphone ? R : La plupart des accéléromètres de smartphone mesurent jusqu’à ±16 g (environ ±157 m/s²) ou ±8 g selon le modèle. Au-delà, le capteur sature et la mesure n’est plus fiable.

Q : Peut-on utiliser l’accéléromètre pour détecter des séismes ? R : Oui. Plusieurs applications utilisent les accéléromètres de millions de smartphones pour constituer un réseau sismique citoyen. La sensibilité est limitée, mais suffisante pour détecter des séismes proches de magnitude 4 ou plus.

Concepts liés

Accélération linéaire - Accélération absolue - Gyroscope - Capteur MEMS - Force - Inertie - Deuxième loi de Newton